PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS DEL CARBONO Y LOS CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS

Una de las propiedades de los elementos no metales como el carbono es por ejemplo que los elementos no metales son malos conductores del calor y la electricidad. El carbono, al igual que los demás elementos no metales, no tiene lustre. Debido a su fragilidad, los no metales como el carbono, no se pueden aplanar para formar láminas ni estirados para convertirse en hilos.

En la siguiente tabla, se muestran mas propiedades fisicoquímicas del carbono:

CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS Y ELÉCTRICOS

Los campos electromagnéticos son la combinación de campos de fuerza eléctricos y magnéticos invisibles. Los campos eléctricos tienen su origen en diferencias de voltaje: entre más elevado sea el voltaje, más fuerte será el campo que resulta. Los campos magnéticos tienen su origen en las corrientes eléctricas: una corriente más fuerte resulta en un campo más fuerte.

El movimiento de cargas eléctricas en un metal conductor origina ondas de campos eléctrico y magnético (denominadas ondas electromagnéticas EM) que se propagan a través del espacio vacío a la velocidad c de la luz (c = 300.000 km/s). Estas ondas radiadas llevan asociada una energía electromagnética que puede ser captada por una antena receptora.

MATERIALES DERIVADOS DEL CARBONO Y SU USO

Uno de los materiales que se utilizan en los campos electromagnéticos son los nanomateriales, es decir, los materiales estructurados a escala nanométrica (10-9 m), pueden ser obtenidos a partir de diferentes elementos o compuestos químicos. Entre todos estos, el carbono ha focalizado en mayor grado la atención científica y tecnológica debido principalmente a las propiedades que presentan dos de sus estructuras nanométricas: los nanotubos de carbono y (la más reciente incorporación a esta gama) el grafeno. Éste último se presenta como una sola capa atómica de carbono (monocapa atómica), o con un número reducido de capas (por lo general, menor a diez).

El carbono tiene varias formas alotrópicas (figura 1). Alotropía, en Química, significa la existencia en estado sólido de dos o más formas estructurales moleculares o cristalinas de un elemento. Los alótropos del carbono pueden ser:

• Tridimensionales: grafito es el alótropo más abundante, el otro alótropo es el diamante
• Bidimensionales: grafeno
• Monodimensionales: nanotubos
• Cero dimensionales: fullerenos

GRAFENO (COMPORTAMIENTO METÁLICO Y EL EFECTO DEL CAMPO ELÉCTRICO)

El carbono (al ser un elemento no metálico) es mal conductor de la electricidad, pero siendo el grafeno una forma alotrópica del carbono, presenta, sin embargo, propiedades que corresponden a los metales. Además, esta propiedad del grafeno muestra un campo eléctrico ambipolar tal que los conductores de carga pueden ser modulados continuamente entre electrones y huecos en concentraciones tan altas como 1013 cm-2 y sus movilidades llegan

a 15 000 cm2/Vs -incluso bajo condiciones ambientales-, superando los 200 000 cm2/Vs [17] a 4 K si se eliminan el suporte y las impurezas que generan dispersión.

El anterior proceso puede convertir al grafeno en un excelente conductor, mientras que otros materiales bidimensionales (Bi2, Sr2, CaCu2Ox) se comportarían como altamente aislantes para tales efectos.

Los electrones del grafeno

Los átomos poseen electrones que se encuentran cerca de los núcleos, así como electrones lejos de ellos (de valencia). Los electrones de valencia logran separarse de los núcleos cuando reciben energía adicional externa: por ejemplo, cuando se aplica un campo eléctrico a un material, estos electrones se separan de sus núcleos y se convierten en electrones de conducción. En el caso de materiales constituidos por átomos que no tienen sus capas electrónicas completas, existen huecos (ausencia de electrones en la banda de valencia) que también pueden separarse de los núcleos si se les adiciona energía. Ésta es la forma en que se producen corrientes de electrones o huecos en un semiconductor.

Estos portadores de carga (electrones-huecos) de conducción colisionan entre sí, disminuyendo la velocidad a la que se mueven; no obstante, en el grafeno los electrones o huecos se comportan como partículas que se mueven a una velocidad constante, viajando distancias del orden de micras (1x10-6 m) sin sufrir

dispersión. Este hecho determina valores de la movilidad de los electrones que a temperaturas de 4 K pueden sobrepasar 200 000 cm2/Vs en comparación

a los 140 000 cm2/Vs en el silicio. Los portadores de carga del grafeno se mueven de esa manera debido a su estructura electrónica. En un material convencional, la relación de dispersión de energía de un electrón o hueco es del tipo parabólico/cuadrática; en el grafeno, la relación de dispersión de la energía alrededor del nivel de Fermi que define la energía más alta de los orbitales moleculares ocupados por los electrones a la temperatura de 0 K es aproximadamente lineal.

NANOTUBOS DE CARBONO

Los nanotubos de carbono tienen excepcionales propiedades mecánicas, térmicas, químicas ópticas y eléctricas, por lo que son un material prometedor para numerosas aplicaciones de alta tecnología.

En la práctica, las primeras aplicaciones de los nanotubos de carbono han sido electrónicas debido a sus particulares propiedades eléctricas, ya que los nanotubos pueden ser metálicos o semiconductores. Los nanotubos permiten hacer más pequeños los dispositivos, conducen muy bien el calor y aumentan la vida útil de los dispositivos.

Los nanotubos, por su carácter metálico o semiconductor, se utilizan en nanocircuitos:

·      Interconectores. Los nanotubos conducen bien el calor y poseen una fuerte estructura para transportar corriente, aunque la conductividad disminuye al aumentar el número de defectos.

·      Diodos. Al unir nanotubos metálicos y semiconductores, o con campos eléctricos, similares a las uniones P-N.

·      Transistores. De efecto campo, de electrón único, interruptores.

También se han utilizado los nanotubos de carbono para fabricar unas películas conductoras transparentes de distintos colores, mediante una técnica conocida como ultracentrifugación en gradiente de densidad que hace que láminas obtenidas se parezcan a un vidrio teñido. Estas películas pueden introducir mejoras en células solares y monitores de pantalla plana.

Los nanotubos de carbono se emplean en chips de dispositivos electrónicos para disipar el calor, reduciendo la temperatura del microprocesador. Los nanotubos disipan el calor de los chips tan bien como el cobre (utilizado también para disipar calor) y son más resistentes, ligeros y conductores que otros materiales para disipar calor, siendo su coste muy competitivo.

EL CARBONO Y EL CLUB MAGNÉTICO

Oficialmente, el exclusivo club de los elementos magnéticos tiene un nuevo miembro: el carbono. Empleando un haz de protones y técnicas avanzadas de rayos X, unos investigadores finalmente han disipado las dudas sobre la capacidad del carbono de poder hacerse magnético.

Los científicos sospechaban desde hace mucho tiempo que el carbono pertenecía a la corta lista de materiales que pueden ser magnéticos a temperatura ambiente, pero la prueba de esa hipótesis se debilito en la controversia durante casi una década.

Esta nueva investigación abre las puertas a futuros estudios orientados a mejorar el magnetismo en el carbono, lo que puede llevar un día a combinar dos interesantes "mundos": el del magnetismo y el del carbono.

Dominar las propiedades magnéticas del carbono podría un día revolucionar varios campos de aplicaciones, desde la nanotecnología a la electrónica. Podrían construirse nanodispositivos ensamblando uno a uno átomos de carbono, permitiendo la construcción de sofisticadas máquinas miniaturizadas y abriendo una nueva era en la electrónica de bajo peso. El magnetismo, que forma la base del almacenamiento y procesamiento de la información en las unidades de disco duro de los ordenadores, podría ser empleado de nuevas formas en los dispositivos electrónicos del futuro.

El magnetismo es un "fenómeno de orden". Todos los átomos se comportan como diminutos imanes debido a la orientación del espín de sus electrones. Cuando bastantes de esos diminutos espines magnéticos (o "momentos") se alinean, del material emana un campo magnético que puede medirse. Los espines de los electrones del hierro se alinean con facilidad, incluso en altas temperaturas, haciéndolo un material magnético ideal.

Los electrones del carbono se colocan de manera tal que la magnetización, hasta muy recientemente, parecía teóricamente imposible.

Hendrik Ohldag (del Centro del Acelerador Lineal de Stanford) y colegas suyos de la Universidad de Leipzig, Alemania, y del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, han demostrado ahora que muestras de carbono puro pueden hacerse permanentemente magnéticas a temperatura ambiente. El equipo de Ohldag aplicó un haz de protones para desestabilizar y alinear una porción de los electrones en las muestras de carbono puro, magnetizando puntos diminutos aunque medibles, dentro del carbono.

El equipo empleó un sofisticado microscopio de rayos X para obtener imágenes de las porciones magnetizadas. El haz de rayos X también permitió al equipo verificar, más allá de toda duda, que la muestra permanecía libre de impurezas durante los experimentos, a diferencia de lo ocurrido en anteriores estudios.